Магнитная антенна конструкции RX3AKT

Расскажу про оригинальную антенну в виде разомкнутой рамки, которую я называю "ВЫРОЖДЕННАЯ MAGNETIC-LOOP"

Она хороша своими размерами при сохранении полноценной эффективности (в сравнении с полуволновым диполем). Напомню, как я "открыл" эту антенну. Сразу скажу, что о таком типе антенн упоминается в книжках и Ротхамеля и Беньковского-Липинского. Поэтому я ни в коей мере не претендую на авторство. Просто там (в книжках) СОВЕРШЕННО не описан принцип действия такой рамки. Дается только коротенькое описание конструкции, без размеров и рисунок. [1] [2] Я же ее открыл совершенно самостоятельно, балуясь с программой для расчета параметров традиционных антенн MAGNETIC-LOOP, английского радиолюбителя G4FGQ (программа рассылается мною по электронной почте: SA_RX3AKT@MTU-NET.RU) Кстати, я как мог, перевел ее на русский язык. Эта программа досталась мне в результате взаимодействия с известным радиолюбителем RV3BC. Он в свое время профессионально занимался внедрением антенн магнетик-лупо, в частности, на судах Ленского и Енисейского пароходств. Программа показала отличное совпадение вычисленных с ее помощью результатов и практики. Так вот - задавая различный периметр рамки для определенной частоты, я увидел, что программа начинает "ругаться" при достижении им определенной величины - полволны. Я более пристально взглянул на эту ситуацию. Эксперименты с программой я начинал, с размеров традиционных магнитных рамок - не более метра. Увидел, что при мощности в 100 Вт ток у основания рамки (напротив конденсатора) достигал нескольких десятков Ампер. Для таких токов естественно требуется соответствующий "проводник" - медная труба приличного диаметра. Иначе потери возрастают катастрофически. Правда эффективность такой рамки и так получается очень небольшой - процентов пять, десять, по сравнению с полноценным диполем. Напряжение на конденсаторе также имеет огромные значения. Известны трудности при реализации таких антенн радиолюбителями. Основная из них - именно переменный конденсатор. К достоинствам рамки малого диаметра можно отнести очень узкую полосу пропускания. Это иногда помогает при наличии мощных помех на соседних частотах. Еще один плюс - направленность. Тут надо вспомнить основы. Почему вообще эта антенна названа магнитной? Здесь надо помнить одно правило: ток в проводнике рождает магнитное поле, а напряжение - электрическое. Вопрос - к какому типу антенн относится полуволновой диполь? (исходная антенна для расчетов и сравнений с антеннами других типов). Ведь там имеется участок с максимальным током (центр, место питания) и участок с максимальным напряжением - концы диполя. Так, вот! Оказывается полуволновой диполь и есть на самом деле та самая пресловутая EH-антенна. Именно от него "отскакивает" 50 процентов магнитного поля и 50 процентов электрического. Другие крайние случаи - это антенна "элементарный электрический диполь" [3] и "элементарный магнитный диполь" [4]. Диаграмма направленности первой антенны - диполя, всем известна, а, вот, с диаграммой направленности магнитной рамки и просто замкнутой рамки (всем известные дельты и квадраты) произошла путаница. Полноразмерные петлевые антенны образованы из того же полуволнового диполя путем замыкания его концов полуволновой перемычкой. То есть, по сути, петлевая резонансная антенна является тем же самым диполем и диаграмма направленности у нее такая же. Перпендикулярно плоскости - максимум, по ребру - минимум. Что же получается для рамки малого диаметра? Вспомним магнитную антенну в карманном приемнике. Как там выглядит диаграмма направленности относительно витков обмотки на ферритовом стержне. Ясное дело - максимум перпендикулярно стержню или по ребру витков обмотки. Другими словами - картина ПРОТИВОПОЛОЖНАЯ относительно полноразмерной рамки. Теперь понятно, что, чем меньше диаметр рамки, тем больше она становится истинно МАГНИТНОЙ АНТЕННОЙ.

Вернемся к моей "новооткрытой" антенне. При увеличении периметра обруча антенна все больше приобретает свойства излучать и электрическую составляющую ЭМ поля в БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ (Напомню, что существует еще СРЕДНЯЯ ЗОНА, она же - ЗОНА ФРЕНЕЛЯ. В ней начинается "разворачивание" полноценной электромагнитной волны. Есть и ДАЛЬНЯЯ ЗОНА. В ней электрическая (Е) и магнитная (Н) составляющая существуют "на равных правах", рождают одна другую, тем самым, способствуя собственному распространению в пространстве.) У привычной по конструкции магнитной антенны электрическая составляющая образуется в районе переменного конденсатора. Соотношение энергий Е и Н волн зависит от соотношения диаметра рамки и длины волны. При достижении периметра рамки длины равной полволны антенна фактически превращается в классический полуволновой диполь с полотном свернутым в кольцо, но НЕ ЗАМКНУТЫМ. Распределение токов и напряжений вдоль проволоки сохраняется, как у диполя. При периметре такой рамки близком к полволне по результатам моделирования мы с удивлением обнаруживаем, что емкость переменного конденсатора превратилась в НОЛЬ, т.е. ВЫРОДИЛАСЬ в РАЗРЫВ. Поэтому: ВЫВОД ОДИН: Нет необходимости ставить дорогой и сложный переменный конденсатор. Вдобавок, мы видим, что напряжение на этом "бывшем конденсаторе", а ныне разрыве теперь имеет вполне приемлемые значения, гораздо ниже, чем у прототипа. ВЫВОД ДВА: Антенна стала гораздо надежнее за счет отсутствия эффекта электропробоя "конденсатора". Мы замечаем, что ток у основания кольца также значительно уменьшился. ВЫВОД ТРИ: Нет необходимости делать полотно из толстой трубки. Достаточно провода диаметром несколько мм. Т.е. антенна превращается в проволочную и легко транспортабельную. Обратим также внимание на полученную эффективность по сравнению с рамкой малого диаметра. ВЫВОД ЧЕТЫРЕ: Эффективность ЗНАЧИТЕЛЬНО возросла. А как же быть с упомянутыми преимуществами MAGNETIC-LOOP? Мы видим, что рабочая полоса антенны также значительно расширилась. Имея гораздо большую эффективность, мы можем "простить" этот "дефект". Кстати, за счет малой эффективности и узкой полосы традиционные магнитные рамки славились, как очень малошумящие. На самом деле этот эффект являлся в чистом виде САМООБМАНОМ. Шумы эфира уменьшались ВМЕСТЕ с сигналом. На прием, при чудесной чувствительности приемников современных трансиверов, это "преимущество" и производило ИЛЛЮЗИЮ МАЛОШУМНОСТИ. Но, конечно основным преимуществом вырожденной магнетик-луп является ее размеры. При вдвое меньшем периметре, антенна имеет ту же эффективность, что и диполь. Например, ПОЛНОЦЕННАЯ антенна на 2-х метровый диапазон будет выглядеть, как колечко диаметром всего 30 см. сделанное, например, из стального биметалла. Такая антенна легко помещается в портфельь-дипломат. Считаю целесообразным сделать еще один интересный вывод – ВЫВОД ПЯТЬ: Рамка круговой формы имеет наибольшую эффективность по сравнению с рамками любых других форм. Кстати, рамка в виде треугольника имеет НАИХУДШЕЮ эффетивность, но самые удобные условия подвеса.

Какая же диаграмма направленности получилась у такой антенны? Здесь помогла программа MMANA и практика (Рис.1). При горизонтальном расположении полотна видим, что магнитная составляющая, как ей и положено, распологается в виде бублика по образующей окружности антенны. Электрическая составляющая тоже есть! Она выглядит, как два мячика. Один из них положен на бублик сверху, другой снизу, как у волновой резонансной рамки. В результате получается довольно любопытная картина – суммарная ДН представляет собой почти шар. Только есть два заметных минеимума, которые представляют собой два объемных конуса по обе стороны плоскости рамки и с острыми вершинами точно в центре круга антенны. На практике при вертикальном расположении рамки, при полном обороте эти минимумы ощущаются, как четыре резких минимума примерно под 45 градусов к ее плоскости. Эксперимент был произведен во время проведения одного из слетов на оз. Валдай для варианта антенны на диапазон 10 м.

Теперь о конкретной конструкции. Как было изложено выше, антенна представляет собой проволочное полотно длиной (периметром) пол-волны, свернутое в рамку. Питание осуществляется в центре длины провода, а его концы соединены через изолятор. Расположение рамки в пространстве почти БЕЗРАЗЛИЧНО. В любом случае обеспечивается круговая ДН. На ВЧ диапазонах антенну желательно делать из стального или жеского алюминиевого провода в свободном подвесе т.е. без растяжек и поперечин (Рис.2, Рис.3) На НЧ бендах – в виде проволочного треугольника или квадрата горизонтально земле (Рис.4). Изолирующий разрыв (бывший конденсатор) выполняется в виде двух плоских пластинок с канавками под зажим провода. Пластинки сделаны их хорошего изолятора, например фторопласта, и стягиваются болнами. Такая конструкция обеспечивает возможность регулировки резонансной частоты антенны при изменении степени перехлеста проводников полотна, зажатых каждый в своей канавке. Для сохранеия кольцевой формы (на ВЧ бендах) желательно соединить верх и низ полотна толстой леской, длиной равной диаметру антенны. Это предотвратит элипсообразное растягивание рамки при установке на мачте или “веревочном” подвесе с креплением сверху. Как и любая симметричная антенна, эта антенна должна питаться симметрично. Для этого применяется симметрирующий трасформатор на ферритовом кольце. Для согласования с полотном применяется Т-образная система. На практике установлены соотношения сторон согласующей системы по отношению к длине волны. При практическом повторении антенны расчетные данные Т-систамы имеют хорошую повторяемость от диапазона к диапазону. На НЧ диапазонах резонансную частоту рамки удобно подстраивать шунтом в угле питания. Настройка данной антенны, впрочем, как и всех других антенн, заключается в изменении всех ее регулировок с целью получения минимального КСВ в точке присоединения к ней кабеля. То есть – НА ВЕРХУ в непосредственной близости от полотна. Только после этого антенна поднимается на рабочую высоту. Естественно, что после такой настройки ни о какой подгонке длины фидера или о применении пресловутого “полуволнового повторителя” речи быть не может. Одним из кретериев нормальной настройки как раз и является постоянство КСВ, измеренного ВНИЗУ, при намеренном изменении длины кабеля.

В заключении отмечу, что данная антенна является однодиапазонной. На возражение аппонентов против этого факта повторю известную истинну: “Хорошая антенна должна быть резонансной, а по-настоящему резонансной она может быть только на одном диапазоне".

Сергей Макаркин (RX3AKT)

31.01.2008

Ссылки на литературу:

[1] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 441

[2] К. Ротхамель "Антенны" изд. "Бояныч" СПБ 1998 (однотомник) стр. 422, 423

[3] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 17

[4] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 19

Отзывы, впечатления, предложения можно поместить и посмотреть здесь: http://forum.qrz.ru/thread18135.html

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4